Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4274
Barthel, Juri
Ultra-Precise Measurement of Optical Abberations for Sub-Angström Transmission Electron Microscopy
232 S., 2008
Ultra-genaue Messung optischer Aberrationen für Sub-Ängström
Transmissionselektronenmikroskopie
Quantitative Untersuchungen der atomaren Struktur von Materialien mittels hochauflösender
Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) erfordern neben der notwendigen
mechanischen und elektromagnetischen Stabilität auch eine hochpräzise Justage der
verwendeten Mikroskope . Mit kommerziellen Elektronenmikroskopen der neuesten
Generation kann heutzutage eine physikalische Auflösung deutlich unterhalb eines Angströms
routinemäßig erreicht werden. Die erreichte Auflösung kann jedoch wegen des
Vorhandenseins von Abbildungsfehlern höherer Ordnung häufig nicht zuverlässig zur
Aufklärung der Objektstruktur anhand der gewonnenen elektronenmikroskopischen Daten
genutzt werden.
Zu Beginn dieser Arbeit existierte keine Prozedur zur Messung von Abbildungsfehlern
höherer Ordnung mit der erforderlichen Genauigkeit, um den Sub-Angström Bereich
zuverlässig zu erschließen. Eine vorhergehende Messung ist notwendige Voraussetzung für
jede Art von Kontrolle über die Abbildungsfehler, welche letztendlich quantitative HRTEM
ermöglicht . Es ist deswegen das Ziel dieser Arbeit, eine zuverlässige Messprozedur für
Abbildungsfehler bereitzustellen, die insbesondere den Genauigkeitsanforderungen im
Auflösungsbereich unterhalb eines Angströms gerecht wird.
Die Messprozeduren, die im Rahmen dieser Arbeit erstellt wurden, basieren auf der
numerischen Auswertung von Serien elektronenmikroskopischer Aufnahmen von amorphen
Objekten unter variierender Kippung der einfallenden Elektronenstrahlung . Dazu wurden
sowohl neue Techniken zur Auswertung der einzelnen Aufnahmen entwickelt, als auch die
Auswertung der gesamten Strahlverkippungsserie optimiert . Die dabei erreichte Genauigkeit
übertrifft bereits existierende Lösungen um mindestens eine Größenordnung, so dass
Abbildungen sogar bei einer heute noch nicht erreichten Auflösung von 0 .5 Angström
quantitativ ausgewertet werden können.
Alle in dieser Arbeit entwickelten methodischen Konzepte und numerischen Prozeduren
wurden in einem Softwarepaket implementiert, das professionellen Anforderungen in Bezug
auf Robustheit, Präzision, Geschwindigkeit und Nutzerfreundlichkeit genügt . Diese neuen
automatischen Messprozeduren können dazu beitragen, Materialuntersuchungen auf Sub-
Angström Niveau mittels HRTEM als quantitative Technik zu etablieren .
Ultra-Precise Measurement of Optical Aberrations for Sub-Angström Transmission
Electron Microscopy
Quantitative investigations of material structures on an atomic scale by means of
highresolution transmission electron microscopy (HRTEM) impose not only extreme demands on
the mechanic and electromagnetic stability of the applied instruments but require also
their precise electron-optical adjustment. Today a physical resolution well below one
Angström can be achieved with commercially available microscopes on a daily basis.
However, the achieved resolution can often not be reliably exploited for the interpre-
tation of the resulting microscopical data due to the presence of so-called higher-order
lens aberrations.
At the starting time of this work, a sufficiently accurate procedure to measure
higher-order aberrations was urgently missing . Since aberration measurement is a mandatory prerequisite
for any technique of aberration control enabling quantitative high-resolution microscopy, the
goal of this work is to develop such a measurement procedure for the Sub-Angström regime.
The measurement procedures developed in the course of this work are based on the numerical
evaluation of a series of images taken from an amorphous object under electron-beam
illumination with varying tilt. New techniques have been developed for the evaluation of
single images as well as for the optimized evaluation of the whole series . These procedures
allow microscope users to perform quantitative HRTEM even at a resolution of 0.5 Angström.
The precision reached with the newly developed measurement procedures is unprecedented
and surpasses existing solutions by at least one order of magnitude in any respect.
All the concepts and procedures for aberration measurement developed in this work have been
implemented in a software package which satisfies professional demands with respect to
robustness, precision, speed and user-friendliness . The new automatic aberrationmeasurement
procedures are suitable to establish HRTEM as a quantitative technique for
material science investigations in the Sub-Angström regime .
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